Transitorios
El origen más frecuente de los transitorios son las inevitables conmutaciones en la red. Por ejemplo, el accionamiento de un fusible térmico en una red de baja tensión provoca un considerable pico de tensión, ya que estos fusibles se queman en el modo de limitación de corriente. La abrupta rampa de cortes de corriente es responsable de transitorios de hasta varios miles de voltios. Aquí se incluyen los picos de conmutación de los convertidores de red que, aunque no son muy altos, se suceden regularmente (desde 6 veces por periodo o más), provocando así efectos de interrupción considerables.
¿Cómo afectan estos transitorios al equipo eléctrico? En comparación con tecnologías anteriores con tensiones de control y funcionamiento relativamente altas, los modernos dispositivos microelectrónicos operan con tensiones de 5 V o menos (por ejemplo, los procesadores de PC en algunos casos sólo necesitan 1,6 V). Esto los hace más susceptibles a los transitorios de la red de alimentación. Aparte del efecto que provocan en los dispositivos electrónicos, estos transitorios también pueden causar interferencias con una red de datos o de control. Suponga, por ejemplo, que un alimentador de un conversor de alimentación que provoque los picos de conmutación que se ilustran en la figura de abajo interfiera con un cable de datos que esté cerca. Los paquetes de la señal transmitida se distorsionarán al menos 6 veces por segundo. Esto disminuirá la tasa de transmisión de manera significativa y la repetición de los pulsos podría incluso llevar a la pérdida total del tráfico de datos. Si se utilizan inversores de pulso, los transitorios pueden incluso ocurrir con la frecuencia de un reloj, es decir, varios miles de veces por segundo.
Armónicos
Con el incremento en el uso de rectificadores se introdujeron los armónicos en los sistemas de distribución eléctrica. Sus efectos al principio eran insignificantes, pero en la actualidad, con tantos equipos industriales y de consumo alimentados con tensiones rectificadas de la red, los armónicos ya no se pueden descartar. Las características de corriente y tensión de estos instrumentos generan distorsiones eléctricas, entre las que se incluyen las problemáticas componentes del tercer armónico. Ejemplos de instrumentos que se alimentan con tensiones rectificadas de la red:
- PCs, televisores, videograbadoras, y casi todos los equipos de consumo que utilicen CC a partir de una fuente de alimentación conmutada
- Iluminación halógena de baja tensión donde las fuentes de alimentación conmutadas están sustituyendo rápidamente a los transformadores
- Fluorescentes con balastos electrónicos.
- Variadores de velocidad.
Todas estas cargas provocan armónicos, ya que la combinación de rectificadores y condensadores de aislamiento toman la corriente del suministro en pulsos.
Estas corrientes con forma de pulso provocan un “aplanamiento” de la forma de onda de tensión (Figura 3), lo que es visible en el espectro de tensión por la presencia de componentes de armónico quinto y séptimo. El tercer armónico apenas está presente en la tensión, pues este armónico se cortocircuita en los transformadores del tipo triángulo-estrella. Al contrario de lo que cabría esperar, esto no es deseable porque provoca pérdidas imprevistas del orden de los 2.000 € anuales para un transformador de 630 kVA. Además, el conductor de neutro está extremadamente cargado ya que el tercer armónico de la corriente regresa a través de este conductor (Figura 4). El conductor de neutro se quema a menudo sin que se perciba este efecto hasta que ya es demasiado tarde. Esto producirá un cambio de tensión que puede dañar el equipo conectado. También existe peligro de incendio debido al sobrecalentamiento del conductor. Un efecto adicional de los armónicos es su amplificación por resonancia en las baterías de compensación reactiva (Figura 5). Aquí se amplifican especialmente los armónicos de orden superior. El fuerte efecto de los armónicos en la corriente que fluye a través de un condensador provoca su sobrecalentamiento y su destrucción. Aparte del daño a la unidad de compensación, también se puede provocar un incendio. Considerando la elevada carga armónica en el suministro eléctrico actual, resulta que las bobinas de choque son a menudo insuficientes. La tecnología actual permite el uso de filtros activos inteligentes. Estos filtros son autoajustables, libres de resonancia, capaces de actuar en cascada y compensan igualmente cada fase de forma individual.
Interarmónicos
Además de los armónicos de orden entero (1, 2, 3, etc.), pueden producirse armónicos de orden intermedio (denominados interarmónicos) que también deben medirse. La frecuencia de un interarmónico no es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental. Puede ser, por ejemplo, 2,25 veces la frecuencia fundamental. Los interarmónicos tienen su origen en las señales moduladas en dispositivos electrónicos y por los efectos de mezcla no lineal de algunos dispositivos electrónicos típicos las redes eléctricas actuales.
Fluctuaciones de tensión, interrupciones y flicker
Las cargas cada vez mayores y la conmutación de sistemas, como los controladores del motor de ascensores, provocan efectos de realimentación rápida de tensión que se manifiestan como bajadas de tensión (Figura 7) o, si se retira la carga, como subidas de tensión. Las bajadas de tensión o las interrupciones hacen que las fuentes de alimentación conmutadas de los dispositivos electrónicos envíen un comando de reinicialización al microprocesador de dicho dispositivo a través de sus salidas “Power Good” y “Watchdog”.
En general, estas variaciones en uno o más periodos afectan a muchos equipos electrónicos existentes en los sistemas de producción y a los equipos variadores o de control. Si las fluctuaciones de tensión se producen de forma continuada, con un patrón regular o estocástico, se las conoce como parpadeo de tensión. El término inglés “flicker” hace referencia a la impresión de inestabilidad de la sensación visual por efecto del parpadeo de tensión, y es típico en las bombillas de incandescencia. Es importante poder dar una medida objetiva del flicker, y por ello se define en la norma IEC61000-4-15 la severidad de corta duración o Pst. El Pst es un valor medido durante 10 minutos que caracteriza la probabilidad de que las fluctuaciones de tensión resulten en un flicker de luz perceptible. Un valor de 1 representa un nivel por el que el 50% de las personas percibirían el flicker en una bombilla de 60 W. Esta prueba se lleva a cabo para distintas frecuencias de modulación, siendo el resultado una curva de evaluación. Con una medida de flicker, este patrón de reconocimiento se replica mediante un algoritmo definido en esta norma.
Esto permite convertir las fluctuaciones de tensión medidas en datos objetivos. La evaluación del flicker según una norma es una cuestión, y localizarlo es otra. El objetivo es, por supuesto, encontrar la fuente que provoca la interferencia, principalmente una carga variable, como puede ser un equipo automático de soldadura o una fotocopiadora. La localización de un flicker se puede explicar mediante un ejemplo:
Los ocupantes de una planta de un edificio se quejan del parpadeo de la luz. Las medidas realizadas anteriormente a la queja daban un valor Pst de 0,95, lo cual entra en los límites permitidos. A pesar de que la medida de Pst entra en los límites permitidos, muchos se quejan todavía del parpadeo en un lugar donde simultáneamente también se ha informado de averías frecuentes en equipos informáticos. Como Pst < 1, en principio no se ha llevado a cabo ninguna acción.
El problema se soluciona ahora de la siguiente forma. Las sondas de tensión y corriente se conectan al cuadro del circuito de alimentación de la planta. Se registran las variaciones de tensión y corriente. Si las curvas de tendencia para corriente y tensión presentan variaciones en la misma dirección, la fluctuación vendrá del lado del suministro (la caída de tensión genera menos corriente y viceversa). Se debe llevar a cabo una búsqueda “aguas-arriba del punto de medida” o se debe examinar si hay un corto en las inmediaciones. Ahora bien, si las curvas de tendencia presentan variaciones en direcciones opuestas, la fluctuación procederá del lado del equipo (un aumento de la corriente provoca una caída de la tensión y viceversa). La búsqueda entonces se debe llevar a cabo “aguas-abajo” del cuadro. La estructura en árbol de la red de alimentación permite localizar la fuente del problema rápidamente y con precisión.
Desequilibrio
Se puede hablar de desequilibro cuando las tensiones de las tres fases no son las mismas o sus desfases no son de 120º. Las causas son, por lo general, las cargas desequilibradas en la instalación. El desequilibrio en la potencia activa de estas cargas genera, casi siempre, la diferencia en las amplitudes de las tensiones mientras que el desequilibrio en su potencia reactiva explica la diferencia en los desfases. El resultado es un desequilibrio en las fases que puede provocar, por ejemplo, que los motores eléctricos se sobrecalienten. Otras consecuencias son las corrientes en el PEN (conductor de protección con neutro combinado) que fluirán a través de todas las estructuras conductoras de un edificio, incluido el blindaje de cables en redes de datos, lo que puede originar elevados costes económicos por pérdida de información. La Figura 10 muestra de qué forma se puede reconocer fácilmente el desequilibrio con el analizador de calidad eléctrica. Sólo se necesita observar las flechas en el diagrama fasorial. La tabla de la derecha ofrece los datos exactos. La secuencia de fase la componen tres elementos:
- El sistema de secuencia positiva, con vectores 1, 2 y 3 dispuestos en el sentido de las agujas del reloj. Suministra la potencia necesaria al motor.
- El sistema de secuencia negativo, con vectores 1,2 y 3 dispuestos en el sentido contrario a las agujas del reloj y actúa como freno. Los motores se ven limitados en su rendimiento y se sobrecalientan.
- El sistema de secuencia cero, que no genera rotación alguna, pero carga el conductor de neutro. El tercer armónico en sistemas trifásicos es un típico caso de sistema de secuencia cero.
El objetivo es, por tanto, evitar que se produzcan los sistemas de secuencia cero y/o de secuencia negativa. Los valores de porcentaje para la secuencia negativa y la secuencia cero se pueden ver inmediatamente a la derecha, en la Figura 10, para tensión y corriente.
